星型灌区监测无线传感器网络MAC协议研究

李观义, 肖坚, 陈府玉, 严锡君

(1.广东省防汛保障与农村水利中心,广东,广州 510635;2.河海大学,计算机与信息学院,江苏,南京 211100)

0 引言

我国建设有大量的灌区,灌区信息化系统已经得到广泛应用[1]。在使用无线通信技术之前,灌区信息获取普遍采用有线传输的方式,这种方式容易受人为因素影响,且安装、维护的成本太高,可扩展性差。随着无线通信技术的发展,超短波通信普遍应用于灌区自动测报系统,它的信号传输比较稳定,质量较好,但通信距离有限,且易受高大建筑物阻挡。

随着无线传感器网络的理论和技术已趋于成熟[2],因其具有通信便利、部署方便,以及安装、维护、使用方便和扩展性强的优点[3]。将无线传感器网络技术应用于灌区信息化,设置灌区监测的无线传感器,由此降低安装和维护成本,提高系统可靠性和扩展性。

1 星型灌区无线传感器网络MAC协议

在灌区监测的无线传感器中,汇聚节点位于闸站内,两个水位节点、雨量节点位于闸站周围,这两种传感器节点一般采用单跳方式与汇聚节点进行通信,构成星型结构的无线传感器网络。由于闸门控制直接与闸位传感器相关,在低功耗网络(IMWSN)中不设计闸位节点。

1.1 基于调度的MAC协议

常用的无线传感器网络MAC协议主要有基于竞争的MAC协议和基于调度的MAC协议(TDMA)两种[4]。TDMA协议应用相对广泛,主要有BMA协议、DEE-MAC协议、R-MAC协议等3种。随后国内外众多学者进行了深入研究:周锋等[5]在IEEE 802.11协议的基础上,提出了用于无线传感器网络节能的MAC协议-S-MAC协议;万江文等[6]提出了一个DEE-MAC协议,该协议也是一种基于TDMA机制的MAC协议。

BMA协议数据传输阶段由若干定长会话组成,每个会话由争用周期、数据传输周期和空闲周期组成,如图1所示。争用周期使用一个类似TDMA的机制,该周期长度固定,网内每一节点在这一周期内被分配给一个时隙,用于预约时隙。数据传输周期被分为多个数据时隙,用于节点发送数据。空闲周期则是定长会话除去争用周期、数据传输周期后剩余的时间。

图1 BMA协议

BMA协议网内节点收发数据的过程如下:发送节点若要发送数据,则在争用周期固定的时隙内向接收节点发送控制信息,预约时隙,若无数据发送,则将该时隙空闲;接收节点在争用周期结束后,发送数据时隙分配给网内各节点,各节点在分配好的时隙向接收节点发送数据,其他时隙则转入睡眠状态。该协议的数据传输过程如图2所示。这类协议需要节点之间比较严格的时间同步,多数传感器网络都使用了侦听/睡眠的能量唤醒机制,增加了一定的网络能耗。DEE-MAC和R-MAC协议,与BMA协议类似。

图2 BMA协议的数据传输过程

1.2 协议描述

在星型结构无线传感器网络中,汇聚节点和传感器节点之间、采用分簇结构的簇首和簇成员之间,都采用基于TDMA协议。针对IMWSN的特点,采用以下网络模型:① 采用星型结构部署网络;② 汇聚节点位置固定,且能量不限;③ 传感器节点的初始能量相同,且具有唯一的ID。

对基于TDMA协议进行改进,基本思想为:汇聚节点始终处于发送状态—接收状态的循环过程,在发送阶段时,广播一定数目信标帧对网内节点进行同步,并分配时隙,欲发送数据的传感器节点接收任一帧信标帧,建立同步,待汇聚节点转入接收状态后,在规定时隙向汇聚节点发送数据。TDMA协议如图3所示。

图3 改进MAC协议

在无线传感器网络建立和使用过程中,位于监测现场的传感器节点都要经历加入网络、工作和退出网络等3个步骤。

(1) 节点的加入。由于灌区监测无线传感器网络具有可部署性,节点可依次加入网络,汇聚节点广播的信标帧中具有专门的时隙,供新节点的加入使用。

新节点加入网络时,首先接收汇聚节点广播的信标帧,建立同步;然后延迟一定时间,在下一周期的第0时隙向汇聚节点发送请求帧,申请加入网络。

汇聚节点接收到新节点的加入申请后,若同意其加入,在发送状态的开始阶段回复一个确认帧给新节点,同时各传感器节点发送时隙分配。

(2) 节点的退出。传感器节点在工作一定的时间后,因电池能量消耗到一定程度,无法进行采集、接收和发送数据等正常工作而退出网络。当某个传感器节点电池电量到达一个阈值后,用剩余的能量在当前周期向汇聚节点发送1个数据帧,该数据帧包含的信息为电池低电量告警。管理节点(信息中心)收到告警信息后,进行相应的处理。或者,设定1个心跳帧,每隔24 h上报1个最新的数据帧,当信息中心接收不到某一节点的心跳帧时,就知该节点发生故障或“死亡”,必须补充电能或排除故障。

1.3 帧格式定义

协议中定义了信标帧、确认帧、数据帧等3种帧格式,它们都采用固定长度,在发送1帧数据时,还需要增加前导码和同步词语,以便可靠地传输数据。

(1) 信标帧。在汇聚节点发送阶段,等待发送数据的传感器节点醒来后随机接收1帧信标帧,用来建立时间同步。信标帧的长度固定为1 Byte,包括帧类型和帧序号两部分,帧序号用来识别先后发送的不同信标帧,用以支持多个传感器的同步和数据传输。传感器节点随机接收到1帧信标帧后,提取信标帧序号,根据该序号以及规定的时隙确定延时发送数据来避免数据的碰撞。

(2) 数据帧。数据帧用于承载数据,汇聚节点处于接收状态时在不同时隙接收来自不同节点的数据帧。1帧完整的数据帧包括帧类型、数据类型、节点地址和数据。数据帧的长度固定为3 Byte,包括帧类型、数据类型、节点地址和数据等4部分。

(3) 确认帧。在传感器节点发送告警数据帧或申请加入网络帧时,汇聚节点需要在下一周期开始时作出应答。确认帧的长度固定为1 Byte,包含帧类型、应答参数和参数值等3部分。

1.4 粗粒度的时间同步

IMWSN实时性要求不高,不需要代价较高的、精确的时间同步,粗粒度的时间同步就能满足应用要求。汇聚节点在发送阶段向全网广播一定数目的信标帧,作为网内各节点时间同步的依据。在汇聚节点发送阶段,等待发送数据的传感器节点随机醒来后接收1帧信标帧,用来建立时间同步。由于各传感器节点在建网初期已经分配好发送时隙,这些节点在进行数据发送准备时只需获得一个依据来确定自己所在的时隙。粗粒度的时间同步如图4所示。

图4 粗粒度时间同步

假设汇聚节点在发送阶段共向全网广播0～n个信标帧,全网供传感器节点分配的时隙共0～j个。若某一节点用接收到的第i帧信标帧建立自己的时间同步,而该节点的时隙分配为第k个时隙,汇聚节点一个完整的发送/接收周期为T,那么该节点在接收完成该信标帧后的延迟时间如下:

(1)

传统的基于TDMA的通信协议,在争用周期固定的时隙内向接收节点发送1 bit的控制信息,预约时隙。因此,必须进行精确同步,否则就会因同步误差而无法接收控制信息,降低通信的可靠性。由于改进协议的汇聚节点每次发送若干个信标帧,而非一个信标帧,传感器节点只要获得其中一个信标帧就可以实现同步,大大提高了数据通信的可靠性,增强了抗干扰能力。

2 协议实现

在IMWSN中,汇聚节点位于闸站内,可直接供电;水位、雨量等传感器节点位于闸站周围,由电池供电,必须采用低功耗工作模式,以延长节点寿命。

2.1 汇聚节点

汇聚节点正常工作后进入发送状态,根据传感器节点的数量和状态,广播一定数目的信标帧,对网内传感器节点进行同步并分配时隙;然后切换到接收状态,按时隙接收传感器节点发送来的监测数据信息或者请求加入、退出网络的信息;再重复,始终处于发送/接收状态的循环。完整的通信协议结构如图5所示。汇聚节点工作流程如图6所示。

图5 完整的通信协议结构

2.2 传感器节点

网络建立后,网络所有节点初始化。传感器节点开始采集数据,采集完后进入休眠状态,通过定时唤醒在某一时刻同时醒来,进入周期性的侦听状态,等待接收来自汇聚节点的信标帧。

若传感器节点需要发送监测数据信息或加入、退出网络请求信息,在其休眠周期结束时立即进入接收状态,接收汇聚节点广播的信标帧。随后切换到发送状态,并根据接收到的信标帧号及本身的属性进行延时,在相应的时隙发送数据帧,发送完成后再进入休眠状态。传感器节点具体工作流程如图7所示。

图7 传感器节点工作流程图

3 仿真与实验

在传感器节点和汇聚节点完成设计后,对协议通信进行可靠性测试,分别测试一对一和一对三情况下的平均数据丢包率。

用1个传感器节点和汇聚节点实现点对点的通信,传感器节点发送3000个数据包,根据汇聚节点实际接收到的数据包数得到数据丢包率数据。具体测试数据如表1所示。

表1 一对一测试

用1个汇聚节点和3个传感器节点实现一对多通信,每个传感器节点同样发送3000个数据包,根据汇聚节点接收到的实际数据包数,得到每个传感器节点数据丢包率数据。具体测试数据如表2所示。

表2 一对三测试

单个节点与汇聚节点通信时,没有其他节点的干扰,主要受定时器定时精度、硬件元器件的性能以及同步词语长度等因素的影响,所以数据包的丢失率比较低,基本保持在0.5%以下;多个传感器节点与一个汇聚节点通信时,还存在不同节点间的串扰,使得数据丢包率略微下降,但仍能保持在1%以内,能够满足通信的要求。

4 总结

无线传感器网络正以其杰出的优点得到越来越广泛的应用,它的应用研究也成为当前的热门研究领域。将无线传感器网络应用于灌区自动化系统,降低了系统的成本,提高了系统的扩展性,改善了系统的性能,使用简单、方便。实验表明,系统稳定可靠,为准确高效地开展水资源调度、防汛指挥等水利活动提供了技术支持。